阿基米德原理演示實驗的改進

(1.聊城大學物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252059；2.山東省聊城一中，山東 聊城 252000)

阿基米德原理演示實驗的改進

段德欣1楊磊2

(1.聊城大學物理科學與信息工程學院，山東 聊城 252059；2.山東省聊城一中，山東 聊城 252000)

通過教材分析，筆者對傳統的阿基米德原理演示實驗進行了改進：一是利用身邊可取的材料制作阿基米德演示儀，激發學生設計實驗的興趣；二是利用DISLab設計實驗，開拓學生視野，了解現代實驗技術的思想和方法。

阿基米德原理；實驗改進；DISLab

1 傳統的阿基米德原理演示實驗

“阿基米德原理”是初中物理教學中的重要內容，是學生學習了浮力之后，由定性了解影響浮力大小的因素，轉向定量分析浮力的大小與排開液體重力的關系，是教學的難點。為了突破難點，教師一般要運用實驗對阿基米德原理進行驗證。

人教版教材安排的阿基米德原理實驗共有4個步驟：① 測量物體所受重力；② 物體浸入水中，記錄此時彈簧測力計的示數，并用桶收集排出的水；③ 測量小桶和水的總重；④ 測量小桶所受重力[1]。實際的實驗步驟并非只有4步，還需要計算浮力大小，計算排開水的重力，并將這兩個量進行比較，操作比較繁瑣，涉及的量較多，已超出了許多初中學生的認知水平[2]。實驗中，手持彈簧測力計時并不穩定，會發生或上或下的移動，容易造成讀數誤差。整個實驗的連續性、直觀性較差，不利于學生探究活動的進行。鑒于以上不足，筆者對該實驗進行了改進。

2 阿基米德原理演示儀

2.1 實驗器材與制作

(1)器材

鐵架臺、兩個彈簧測力計、溢水杯、重物、升降臺、接水杯。

(2)器材的制作

溢水杯：將可樂瓶的上半部剪去,在下半部的側壁上鉆一個小孔。把飲料吸管插入小孔后，在小孔周圍涂上萬能膠，使飲料吸管和可樂瓶連在一起[3]。

接水杯：使用輕質的一次性塑料杯，在杯口處鉆四個小孔，用細繩穿連做成掛鉤。

2.2 實驗步驟

(1)先用彈簧測力計測量重物所受重力，進行記錄。

(2)讓學生用測力計測量一次性塑料杯所受重力。結果發現，測力計示數很小，可忽略不計。

(3)將裝置放置好(如圖1)，把重物掛在彈簧測力計上，通過調節升降臺改變重物浸入水中的體積。當重物有一部分浸入水中時，溢水杯中的水被排入接水杯中，待水流停止時，記錄下此時兩個彈簧測力計的讀數。

圖1

(4)繼續通過升降臺使溢水杯升高，在此期間記錄一組數據。待重物完全浸入到水中時，水流停止，記錄此時兩個彈簧測力計的示數。

記錄三組數據，計算出浮力，與排開液體的重力進行比較，以驗證阿基米德原理，讓學生感受一個連續性的過程。

2.3 實驗分析

從儀器本身所用的材料來講，用可樂瓶、一次性塑料杯、飲料吸管來制作實驗器材，讓學生利用生活中常見的物品來解決實驗器材問題，從而有效地激發學生設計實驗的興趣，拉近學生與物理之間的距離。從儀器的實驗效果來看，操作簡單，而且完成了傳統實驗的各項測量；使用升降臺，待水流停止后再讀數，既穩定又方便，避免了手持彈簧測力計不穩定造成的讀數誤差；整個過程可連續進行數據的測量，避免過程重復。

3 利用DISLab驗證阿基米德原理

隨著現代教育技術的迅猛發展，數字化教學儀器也逐漸應用在教學中，上述的阿基米德演示儀還可以通過DISLab繼續進行改進。DISLab是一種用于實時采集數據的智能化系統，主要由傳感器、數據采集器、計算機系統及配套應用軟件所構成。DISLab根據實驗的要求，配備了各種傳感器，實時采集各類被測物理量，以便于學生的理解和分析[4]。初中物理作為科學教育的啟蒙階段，應培養學生的創造性，讓學生緊跟社會發展的步伐，拓寬視野，因此筆者利用DISLab驗證阿基米德原理。

3.1 實驗過程

(1)將兩個力傳感器如圖2放置，并通過USB數據線連接到計算機上。

圖2

(2)對力傳感器a進行調零，用其測出物塊的重力。

(3)將溢水杯中裝滿水，使水面恰好與溢水口相平。

(4)在力傳感器b上放置小量筒，并對其進行機械調零，調零后利用力傳感器b測得排出液體的重力。

(5)打開電腦上的通用軟件，輸入“浮力”“排開液體的重力”“視重”三個物理量(“視重”即重物浸入水中時力傳感器a的示數)。

(6)編輯“浮力”的公式，浮力=物重-視重。

(7)點擊開始采集數據，通過調節升降臺讓物塊平穩地浸入水中，直到全部浸沒水中為止，期間多次采集數據，直至實驗結束。

3.2 實驗結果

根據采集到的數據，得到實驗結果如圖3所示，驗證了阿基米德原理。

圖3

4 結語

本文中的裝置相比傳統實驗簡便快捷，無須計算，數據采集表格直接顯示(如圖3)，向學生清晰地展現浮力大小與排開液體所受重力的關系。DISLab在高中階段已經較為普及，在初中階段嘗試運用DISLab，主要是讓學生知道該實驗還可通過數字化手段測量、分析數據，為高中的學習打下了基礎。

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所,物理課程教材開發中心.物理(八年級下冊)[M].北京:人民教育出版社,2012:53-55.

[2] 邢紅軍等.介紹一種新型的阿基米德原理演示儀[J].物理教師,2003,24(7):23-24.

[3] 望文年.阿基米德定律演示實驗的改進[J].中小學實驗與裝備,2000,10(4):17-17.

[4] 彭濤等.對信息技術引入物理教學的思考——基于DISLab的物理實驗研究[J].物理教師,2009,30(6):43-45.